轴直线滑台设计毕业论文

编号： 毕业设计说明书 题 目：X、Y 轴直线滑台设计轴直线滑台设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型 ：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 5 月 23 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘摘 要要 本设计主要是 X、Y 两个方向移动的滑台的设计，在生产和实践中具有很强的实 用性。X、Y 直线滑台当前已普遍运用于测量、激光焊接、激光切割、涂胶机、打孔机、 点胶机、小型数控机床、雕铣机及适用教育等场所。本设计 X、Y 工作台用于高能电 子束焊机。X、Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方 便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的 利用了微机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大，精度和可靠 性进一步得到提高。由于具有很小的摩擦阻力，可在高负载的情况下实现高精度的直 线运动,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 本设计主要包括四个部分内容：第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结 构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。全部设计过程都是 参照国家相关标准和具体要求设计。 本次设计先对工作台进行结构设计，提出不同方案并进行比较选择，然后对零部 件进行选择和检验校核，最后利用 Solidworks 软件对 XY 工作台进行三维建模、装配， 利用 CAD 绘制零件图和装配图。 关键词：工作台；X-方向；Y-方向；选择；校核；电机 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 Abstract The major work of this design is to design two workbenchs, which can move along two directions X and Y, and this design is very practicality in production and practice. XY table has been widely used in the current measurement, laser welding, laser cutting, gluing machine, drilling machine, dispenser, small CNC machine tools, engraving and milling machine and applicable education and other places. The design of XY table is used for the high-energy electron beam welding.Electrical system XY CNC table is an open loop control system, its structure is simple. Easy to achieve but also to guarantee the accuracy. Cost reduction is the easiest applications microcomputer control technology. It takes full advantage of the computers software and hardware features to achieve the machines control; make the machining expand the scope, accuracy, and reliability is further improved. With little friction at high load conditions to achieve high precision linear motion,ball screws are widely used in various industrial equipment and precision instruments. There are four major part of this design: first, put forward and conform the design; second, chose the frame and hardware; third, check up and test; forth, blueprint. During the design, all designs complied with the country standard and the requirement in detail. The design of the first on the bench for structural design, propose to compare different options and choose,then select and test checked parts, finally, Solidworks software for XY table for three-dimensional modeling, assembly, use CAD drawing parts and assembly drawings. Key words:workbench;X direction;Y- direction;chose;check up;motor 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 引言.1 1 绪论.2 1.1 滚动直线导轨 .2 1.1.2 国内外产品的现状 2 1.1.3 滚动直线导轨的发展趋势 2 1.2 滚珠丝杠 .3 1.2.1 国内外产品的现状 3 1.2.2 滚珠丝杠的发展趋势 3 1.3 设计软件简介 .4 2 方案提出及论证.4 2.1 方案一 .5 2.2 方案二 .5 2.3 方案三 .5 2.4 方案论证 .5 3 结构设计和零件选择.7 3.1 工作台及导轨座的设计 .7 3.1.1 工作台的设计 7 3.1.2 导轨座的设计 9 3.2 导轨上移动部件的重量估算 .10 3.3 导轨的设计计算 .10 3.3.1 导轨简介 10 3.3.2 导轨的选择 11 3.3.3 导轨的计算 11 2.4 滚珠丝杠和轴承的选择 .14 2.4.1 滑动丝杠简介 14 2.4.2 滚动丝杠简介 15 2.4.3 滚珠丝杠的设计计算 18 3.4.4 滚珠丝杠的安装 23 3.4.5 滚珠丝杠螺母副的间隙消除 25 3.4.6 滚珠丝杠螺母副的防护 26 3.5 步进电机的选择 .27 3.5.1 步进电机简介 27 3.5.2 步进电机的计算选型 28 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 3.6 联轴器的选择 .33 4 结论34 谢 辞35 参考文献37 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 37 页 引言 本次毕业设计的目的是综合应用所学知识来解决具体的实际问题。与以前的课程 设计不同的是，本次设计不是单纯的从某一方面进行设计，而是对整个系统的各个环 节进行综合设计。以培养较强的独立工作能力和创新意识，为今后的工作打下坚实的 基础。 本次毕业设计题目是X、Y 轴直线滑台的设计，它的功能是将旋转运动转化成直线 运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动 作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和 精密仪器。可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。本设计的 X、Y 工作台用于 高能电子束焊机。本次毕业设计的要求：X、Y 方向运动行程分别为： 2000mm，700mm，直线度 0.2/1000；要求工作台上下层能拆卸单独使用；工作台载重 量 150kg；画出部分设计图。 本设计主要包括四个部分内容：第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结 构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。全部设计过程都是 参照国家相关标准和具体要求设计。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 37 页 1 绪论 随着我国国民经济的快速发展，数控机床的制造和使用越来越广泛，因而，与之 配套的数控机床功能部件的性能、品种及规格也发展迅猛。X、Y 直线滑台作为数控功 能部件之一，我们队其提出了更高的要求。同时设计者和使用者也应该对其部件有更 深刻的了解，以便在设计时方便选用。其中，X、Y 工作台上的滚动部件滚珠丝杠 和滚动直线导轨，是确保工作台精度的关键。 1.1 滚动直线导轨 1.1.2 国内外产品的现状 世界上生产滚动直线导轨的著名厂商有日本的 THK 公司、NSK、IKO 轴承公司及 德国的 REXROTH 公司、INA 公司、瑞士的 Schneerberger 等公司。这些公司的产品代 表了世界最高水平。国外的产品做工精细，结构灵巧，运动速度高，设计严谨，精度 高，重载并有互换性。 国内滚动直线导轨的发展已经走过 26 个年头，主要厂家有陕西汉江机床有限公司、 南京工艺装备制造有限公司、济宁博特精工股份有限公司、广东高新凯特精密机械有 限公司、大连高金数控集团有限公司等。 国内产品具有以下特点和不足： (1)以钢球为滚动体的产品基本成熟，日、德产品逐步淡出。 (2)应用于大型数控机床的滚柱导轨发展迅速,各主要厂家投入大量资源进行研发,并 陆续进入批量化生产阶段。 (3）绿色、环保产品受到了重视。大连高金数控集团推出了自润滑导轨,减少了润 滑液带来的污染。 (4)高速静音导轨不断推出。大连高金数控集团、南京工艺装备制造有限公司等厂 家推出了带隔离链及减振结构的滚柱导轨,降低了运动噪声,提高了润滑效果,运动速度达 到 100m/min。大连高金数控集团的产品在重型卧式加工中心及龙门加工中心机床中得 到了应用。 (5)与国外相比,产品研发能力比较单薄,实验装置几近空白,院校结合的研究机制起 步较晚。产品验证机制的薄弱直接影响了中高端产品的发展进程及推广速度。 (6)与国外产品相比,在运动精度方面,尤其是关键精度,国内产品与国外产品不相上 下,甚至高于国外。但受到原材料限制及系统的试验手段的不足,导致了产品性能指标难 以提升,使得产品在噪声、稳定性等方面略显不足。 (7)产品外观、倒角、粗加工面的处理水平较低,影响了国内产品的推广力度乃至经 济效益,尤其是在出口方面。 1.1.3 滚动直线导轨的发展趋势 （1）规格不断延伸； 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 37 页 （2）承载能力不断加大； （3）运动速度不断提高； （4）静音导轨； （5）环保产品层出不穷。 1.2 滚珠丝杠 1.2.1 国内外产品的现状 随着数控机床高速、精密、环保的发展需求，滚珠丝杠副得到了前所未有的发展， 国内企业不断加大对滚珠丝杠副的研究力度，并取得了显著的成果。主要表现在以下 方面： （1）高速丝杠 从近几年机床展上可以看到，很多企业研制的高速丝杠的速度是 十几年前的 23 倍，如日本 NSK 的 BSS 系列的 DN 值达到 22 万，HMD 系列的 DN 值达到 16 万；而加速度已经能达到 1.52g 的水平。 （2）重载丝杠 NSK、THK、SHUTON、REXROTH 采用新的工艺方法，将基本 额定动载荷在原来的基础上提高了 25%。 （3）大型丝杠 大型及超大型滚珠丝杠副近两年可谓屡见不鲜，西班牙 KORTA 公司生产的直径 225mm 的滚珠丝杠副长度达 20m。 （4）绿色环保丝杠 滚珠丝杠副的低噪声、长期免维护一直是业内人士追求的目 标。在这方面有很多厂家推出了球保持器和自润滑装置。在使用了球保持器后，噪声 可在原来基础上降低 810dB。自润滑装置可保证 10000km 直线行程的润滑。 （5）双驱动丝杠 为了满足机床高刚性、高效率需求，NSK 采用特殊的工艺方法， 制造出了双驱动滚珠丝杠副，螺纹长度为 1200mm 的两根丝杠，相互累计导程偏差不 超过 0.005mm。 （6）个性化产品 针对各行各业不同的需求，特别是针对一些特殊行业，如化工 机械、木工机械、航空航天、包装机械、机器人、铁路等，滚珠丝杠生产厂有针对性 地开发了许多新产品。 国内大陆地区的制造企业生产滚珠丝杠副经过 50 多年的发展，也取得了较大的成 就，尤其最近 510 年，设计和制造工艺都有了突飞猛进的发展。 国产高速滚珠丝杠副不断崭露头角。北京机床研究所开发的高速丝杠副 DN 值可 达 12 万，加速度为 1g。南京工艺装备制造有限公司开发的 DK 系列滚珠丝杠副 DN 值 达到 16 万。大连高金数控集团生产的三维管系列和端面返向系列的 DN 值达到 16 万， 高速重载滚珠丝杠副（型号：CW8016-10.5）DN 值达到 16 万，额定动载荷 Ca可达 460kN，静载荷 C0a可达 1868kN。 中国台湾地区的制造企业如 HIWIN 公司、ABBA 公司等具有相当先进的制造水平， 其中 HIWIN 公司的重载丝杠的承载能力是普通丝杠的 23 倍。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 37 页 1.2.2 滚珠丝杠的发展趋势 纵观各国滚珠丝杠副现状，可以判断出今后滚珠丝杠发展趋势如下： (1)高速、重载、低噪声、低温升、自润滑和可靠性是滚珠丝杠副发展的主要方向。 (2)特殊行业用滚珠丝杠副，如在木工机械、医疗机械、食品机械、真空环境、核 电、铁路、机器人等行业的应用是滚珠丝杠副发展的重要方面。 (3)新工艺、新材料是滚珠丝杠副进一步发展的保障，如丝杠的冷轧技术、材料的 稳定性及材料热处理等。 1.3 设计软件简介 SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，至此， SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它， 设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的 parasolid 内核（由剑桥提供）以及良好的与第三 方软件的集成技术，SolidWorks 成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目 前全球发放的 SolidWorks 软件使用许可约 28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、 国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分 布于全球 100 多个国家的约 3 万 1 千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4，300 所 教育机构的近 145，000 名学生通过 SolidWorks 的培训课程。 Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术 创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解 决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品 质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作 简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。 SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快 地将高质量的产品投放市场。在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风 格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之 百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 本次设计我采用 SolidWorks 对零件进行三维建模并装配，最后转化为工程图。 2 方案提出及论证 XY 工作台的运动由两个电机分别带动工作台在 X 和 Y 方向上做直线运动，这就 需要把电机的旋转运动变为直线运动。在整体设计中各种运动部件的选择很重要，设 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 37 页 计任务中要求各个构件的运动具有精度高，运动平稳等特点。如图 2-1 所示，部件的 选择包括动力源、传动机构、执行构件等。由此经过考虑列出一下方案。 图 2-1 X、Y 工作台的工作系统框图 2.1 方案一 如图 2-2 所示，动力源选择电机，传动机构选择同步带和齿轮齿条传动。电机通 过同步带带动齿轮齿条传动，齿轮齿条带动工作台做直线运动。 图 2-2 方案一工作原理 2.2 方案二 如图 2-3 所示，动力源选择步进电机，传动机构选择滚珠丝杠副。步进电机与滚 珠丝杠直联，带动在滚动直线导轨上的工作台做直线运动。 图 2-3 方案二工作原理 2.3 方案三 动力源选择限压式变量叶片泵，传动机构选择换向阀和液压缸。 2.4 方案论证 方案一中同步带，承载力较大，负载再大就要加宽皮带，传动精度较高，传动长 度不可太大，否则需要考虑较大的弹性变形和振动，传动距离大尤其不适合精确定位、 连续性运动控制。优点：短距离传动速度可以很高，噪音低。典型用途:小型数控设备、 某些打印机。齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达 0.1mm，可无限长度对接延 续，传动速度可以很高，2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。 典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达 30 层楼高。所以， 方案一可能会造成噪声污染，并且使用寿命短，精度也达不到微米级。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 37 页 与方案一相比较，方案二具有方案一中所有优点，并且滚珠丝杠副传动精度比齿 轮齿条高很多，结构紧凑，传动效率高，定位精度高。缺点是制造工艺复杂，成本较 高，但是使用寿命长，维护简单。 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言， 它有以下几方面的优点： 1）定位精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩 擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位 精度设定到超微米级。 2）降低机床造价并大幅度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小， 特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型 化，减轻了重量，使机床所需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。 3）可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实 现机床的高速运动，提高机床的工作效率 2030% 4）可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动， 产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域， 由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗 被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少， 故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多 数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的 非常容易了。 方案三中使用了液压系统。与机械传动和电力拖动系统相比，液压传动具有以下 优点： (1)液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安 装有很大的灵活性。 (2)可以在运行过程中实现大范围的无极调速，调速范围可达 2000:1. (3)液压传动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。 (4)操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护。与电 气控制、电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。 (5)液压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度高，有利于缩短机 器的设计、制造周期和降低制造成本。 液压传动的缺点： (1)在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。 (2)由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 (3)液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动 介质时还需注意防火问题。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 37 页 (4)液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。 以上三个方案，从原理上来说，都能完成任务书提出的要求，但考虑使用条件， 由于随着科技的发展，现代机床要求的精度越来越高，因为此机构以传递运动为主, 要求有较高的传动精度, 又要求结构紧凑。方案一中能会造成噪声污染，并且使用寿 命短，精度也达不到微米级，所以不采用。方案三传动效率偏低，精度得不到保证， 维护困难，所以不采用。方案二虽然成本比较高，但是传动精度和定位精度达到了要 求，结构紧凑，使用寿命长，符合科技发展的要求。所以根据以上三种方案的论证， 采用方案二比较合适。 图 2-4 方案二结构原理 方案二如图 2-4 所示，步进电机作为动力源与滚珠丝杠直联，滚珠丝杠将步进电 机的旋转运动转化为工作台的直线运动，工作台在滚动导轨上做直线运动，X、Y 方 向分别用一个步进电机驱动。 3 结构设计和零件选择 3.1 工作台及导轨座的设计 3.1.1 工作台的设计 在工作台上设计 T 型槽，主要用来固定工件，是钳工用来调试、装配、维修设备 的基础工作平台，T 型槽平台（T 型槽平板）也可用于动力机械设备的装配及调试；T 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 37 页 型槽平台（T 型槽平板）的工作面采用刮研工艺，对于 3 级以下的平板工作面也可以 采用刨铣工艺；T 型槽平（T 型槽平板台）的材质为 HT200-300，硬度为 HB170-240； 规格为 200*200mm-3000*6000mm,大于此规格或特殊规格可以定做，也可以按图纸制 造。 T 形槽的尺寸标准如表 3-1 和表 3-2 所示。 表 3-1 T 形槽尺寸标准 T 形槽 ABCHEFG 基本 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 12192189202510.61 表 3-2 T 型槽的尺寸标准 T 形槽宽度 AT 形槽间距 p 12(40)506380 按照上述标准，我们选择 A=12，B=19，C=8，H=20，E=1，F=0.6，G=1，间距 p=80。 工作台的外型如图 3-1 所示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 37 页 图 3-1 工作台 其中长宽高分别为 1000mm，500mm，50mm。 3.1.2 导轨座的设计 由于 X、Y 工作台沿 X、Y 两个方向做往复直线运动，所以有两个导轨座，用来 支撑两个方向的导轨。 设计 Y 向导轨座在上层，Y 方向的行程为 700mm，所以设计 Y 向导轨座参数为 1000150020mm，其外型如图 3-2 所示： 图 3-2 X 向导轨座 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 37 页 X 向导轨座设置在下层，工作台在 X 方向的行程为 2000mm，所以设计 X 导轨座 的参数为 300080020。 3.2 导轨上移动部件的重量估算 导轨上的移动部件包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线 滚动导轨副、导轨座等。为了计算滚动导轨和滚珠丝杠副的负载，必须把这些移动部 件的重量一一计算出来。 工作台材料为灰铸铁 HT350 密度 7.4g/cm3，工作台尺寸：100050050mm， 则 G1=10005005010-37.410-2=1850N，由于工作台并不是实心体，而是设有 T 型槽的，所以取 G1=1500N。 Y 向导轨座尺寸：1000150020。 则 G2=100015002010-37.410-2=2220N。 工作台载重量：150KG，则 G3=1500N。 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算，包括工件、夹具、工作台、上层电 动机、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、上层导轨座等，估计重量约为 G=6000N。 3.3 导轨的设计计算 3.3.1 导轨简介 导轨由承导件和运动件组成，其功用是导向和承载，即保证运动件按给定的方向 获得精确的直线位移或角位移。在导轨副中，运动的零(部)件叫动导轨，不动的叫支承 导轨。常用的导轨，按其接触面的摩擦性质，分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三 大类；按其结构特点，分为力封式和自封式两类。力封式又称开式，必须借助外力(例 如重力或弹簧力)才能保证运动件相承导面间的接触，从而保证运动件按给定的方向作 直线运动。自封式又称闭式，无需借助外力，而靠导轨本身的结构形状便朗保证运动 件部承导面间的接触。 本设计中采用的便是直线运动导轨，导轨的作用是支承工作台并且引导工作台做 直线运动，导轨要保证工作台运动的直线度。 导轨副应满足的基本要求： （1） 导向精度高 （2） 刚性好 （3） 精度的保持性 （4） 运动的灵活性和低速运动的平稳性 （5） 对温度的敏感性和结构工艺性 表 3-3 是对不同种类性能的比较： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 37 页 表 3-3 导轨性能的比较 XY 工作台要求运动平稳，导向精度高，不能出现爬行现象。 为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施： （1）采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑导轨等； （2）在普通导轨上使用含有极性添加剂的导轨油； （3）用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传 动系统的刚度。 3.3.2 导轨的选择 由于静压导轨成本比较高，滑动导轨精度不高而且容易出现爬行现象，而滚动导 轨也能满足本设计的要求，所以决定选用直线滚动导轨副，滚动摩擦导轨式在运动件 和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦 状态，与滑动导轨比较，它具有的特点是： （1）摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动方便，不易出现爬行 现象，直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50，由于动摩擦与静摩擦系数 相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此 发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 2030%。 （2）定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为 0.10.2m，而滑动导轨定 位误差一般为 1020m。因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动 导轨； （3）磨损较小，寿命长，润滑简便； （4）结构较为复杂，加工比较困难，成本较高； （5）对脏物及导轨面的误差比较敏感。 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。 3.3.3 导轨的计算 X、Y 方向使用型号相同的导轨，其中 X 向导轨长度为 1500mm，Y 方向导轨为 3000mm。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 37 页 初选汉江机床厂生产的 HJG-DA 系列滚动直线导轨副（矩型滑块），型号为 DA65C。其外形如图 3-3 所示，参数如表 3-4 所示： 图 3-3 滚动导轨外形图 表 3-4 DA65C 导轨的参数 组件尺寸滑块尺寸导轨尺寸 型号 HWABB1KCL1LNE M 1 W 1 h1 dD h F DA65 C 9031.5126762576701471981616 M1 62 0 6353 1826 22 150 基本额定载荷(kN)允许静力矩(Nm)重量 动载 C静载 C0MAMBMC 滑块 (kg) 导轨(kg/m) 129.6197.13876387660907.321.7 HJG-DA 系列滚动直线导轨副采用四列圆弧接触型结构，具有差动滑移量小、自 调整性高、承载大等特点。 设计每个导轨座上采用两根导轨，四个滑块的安装方法，如图 3-4 所示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 37 页 图 3-4 导轨的安装形式 下面对导轨进行校核 （1）滑块承受工作载荷 Fmax的计算 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y 工作台采用水平布置， 利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部 由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （3-1） F G F 4 max 其中，移动部件重量 G=4500N，外加载荷 F=1500N，代入式 2-1 得最大工作载荷 导轨的额定寿命的计算： （3-2） 50 3 max F C f ffff L a W RCTH 式中，L 为额定寿命（km）；Ca为基本额定动载荷（kN），从样本中查取；Fmax 为最大工作载荷；fH为硬度系数；fT为温度系数；fC为接触系数；fR为精度系数；fW 为载荷系数。 表 3-5 硬度系数 fH 滚道硬度 （HRC） 50555864 fH0.530.81.0 表 3-6 温度系数 fT 工作温度/100100150150200200250 fT1.000.900.730.60 表 3-7 接触系数 fC 每根导轨滑块数12345 fC1.000.810.720.660.61 max 4500 150026252.625 44 G FFNkN 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 37 页 表 3-8 精度系数 fR 精度等级2345 fR1.01.00.90.9 表 3-9 载荷系数 fW 工 况 无外部冲击或震动的 低速场合，速度小于 15m/min 无明显冲击或振动的 中速场合，速度为 1560m/min 有外部冲击或振动的 高速场合，速度大于 60m/min fW11.51.5223.5 取硬度系数 fH=1.0；工作台工作温度100，所以取温度系数 fT=1.00；每根导轨上 滑块数为 2，所以取接触系数 fC =0.81；精度等级为 4，所以精度系数 fR =0.9；导轨工 作在无外部冲击或震动的低速场合，工作台最快进给速度速度小于 15m/min，所以取 载荷系数 fW =1.5。 将以上数据代入式 3-2，解得 L=690726km，远大于预期的 50km，所以设计满足 要求。 2.4 滚珠丝杠和轴承的选择 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直 线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传 递运动为主的如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机 构等。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。 2.4.1 滑动丝杠简介 滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦 阻力矩大、传动效率低(3040)，磨损严重，寿命短。 许多滑动丝杠的导程精度都可以达到磨制螺杆的品质，尤其是滚轧成型的精密滑 动丝杠，比如 Kerk Motion 公司生产的那种，再配上以工程塑料制作的螺母部件，已 能够超越滚珠丝杠的使用寿命。 在某些应用中，较低的传动效率反而成为滑动丝杠的一种优势，在立式应用或者 设计人员不希望丝杠被逆向驱动的场合，滑动丝杠能够将负载保持在原位，而无需使 用带抱闸的电机或者系统中附加的摩擦制动装置。从原则上讲，只要导程低于丝杠直 径的三分之一，上述自锁条件就能够成立。滑动丝杠螺母材料的选用原则可以基于温 度条件，运行 PV（压力-速度）值，抗磨寿命要求，使用环境，以及成本等因素，例 如，可供选用的材料特性包括：从-50到+150的温度允许范围，高达 60,000psi- fpm 的可用 PV 值，可提供 5 千万英寸累计工作行程的反向间隙消除能力，免维护运 行，以及可用于污染和恶劣环境等。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 37 页 2.4.2 滚动丝杠简介 常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动, 磨损较严重, 影响传动精 度, 寿命短, 效率低,不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏 又能满足精度要求, 选用滚珠螺旋机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放人适当数 量的滚珠, 使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。现采 用了间隙可调的滚珠丝杠传动。为使传动稳定可靠, 采用丝杠转动, 螺母带着工作台 作移动的传动形式。 滚珠丝杆传动是由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四部分组成。如图 3-5 所示，当丝杆转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动。为了防止滚珠沿滚道面掉出来，螺母 上设有滚珠循环返回装置，构成了一个滚珠循环通道，滚珠从滚道的一端滚出后， 沿着循环通道返回另一端，重新进入滚道，从而构成一闭合回路。 1返向器 2螺母 3丝杠 4滚珠 图 3-5 滚珠丝杠副 滚珠丝杠的滚道按法向截面的不同，分为单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如图 3-7 所示。其中，单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。 图 3-6 滚珠丝杠外观图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 37 页 （a）单圆弧 （b）双圆弧 图 3-7 螺纹滚道型面 滚珠丝杆传动除具有螺旋传动的一般特点（降速传动比大及牵引力大）外，与滑 动丝杆传动相比较，具有以下特点； （1）传动效率高，一般可达 90%以上，约为滑动丝杆传动效率的三倍。在伺服 控制系统中采用滚动丝杆传动，不仅提高传动效率，而且可以减小启动力矩、颤动 及滞后时间。 （2）传动精度高。由于摩擦力小，工作时螺丝杆的热变形小，丝杆尺寸稳定， 并且经调整预紧后，可得到无间隙传动，因而具有较高的传动精度，定位精度和轴 向刚度。 （3）具有传动的可逆性，但不能自锁，用于垂直升降传动时，需附加制动装置。 （4）制造工艺复杂，成本较高，但使用寿命长，维护简单。钢球滚动接触处均 经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损 甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 （5）运动平稳，滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵 敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 （6）同步性好，由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚 珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 （7）高可靠性，与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很 低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态 下工作。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 37 页 （8）无背隙与高刚性滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、使 钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使 滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。 滚珠丝杠螺母副的缺点是 （1）制造工艺复杂，成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面 粗糙度要求也高，故制造成本高。 （2）没有自锁能力，在垂直升降系统或高速大惯量系统中必须有制动机构。 滚珠丝杠的循环方式分为外循环和内循环。 外循环是在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新 进入循环。其结构如图 3-8 所示。图 3-8(a)所示为螺旋槽式，它在螺母外圆上铣出螺旋 槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径 向尺寸小，但制造较复杂。图 3-8(b)所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构 的工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。 外循环的结构和制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做的平滑， 影响滚珠滚道的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。 图 3-8 外循环示意图 （a）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滚珠；4挡珠器；5丝杠 （b）插管式：1弯管；2压板；3丝杠；4滚珠；5滚道 内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反相器有两种类型。圆柱凸槽反相 器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定 位，以保证对准螺纹滚道方向；扁圆镶块反向器为一半圆头平键镶块，镶块嵌入螺母 的切槽中，其端部开有方向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较 小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸，但这种反向器对外轮廓和螺母上 的切槽尺寸精度要求较高。其结构如图 3-9 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 37 页 内循环滚珠丝杠的优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，故摩擦损 失小。它适用于高灵敏度、高精度传动、不宜用于重载传动，其缺点是反向器加工困 难。 1凸键 2、3反向键 图 3-9 内循环示意图 2.4.3 滚珠丝杠的设计计算 本设计选用滚珠丝杠传动，下面进行丝杠的选型计算。 1. 确定滚珠丝杠的导程 Ph （3-3） max max h v P in 因为电动机与丝杠直联，i=1，vmax=10m/min，nmax=1000r/min 代入式 3-3 得 Ph=10mm。 2. 最大工作载荷 Fm的计算 由于本设计的 X、Y 移动滑台用于高能电子束焊机，所以工作台只有垂直载荷， 没有切屑力，所以丝杆最大轴向力 Fm=G。 表 3-10 最大工作载荷 Fm实验计算公式及参考系数 导轨类型导轨类型实验公式实验公式K 矩形导轨 )(GFFKFF yzxm 1.10.15 燕尾导轨 (2) mxzy FKFFFG 1.40.2 三角形或综合导 轨 )(GFKFF zxm 1.15 0.150. 8 其中 是导轨摩擦因数，直线滚动导轨摩擦因数取 =0.05，G 为工作台移动部件 和载荷的总重量，G=6000N。 Fm=G=0.056000N=300N 3. 最大动载荷 FQ的计算 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 37 页 取滚珠丝杠的使用寿命 T=20000h，代入 L0=60nT/106，得丝杠寿命系数 L0=1200。 （3-4） 3 0amWHm CL f f F 式中：L0滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）。L0=60nT/106，（其中 T 为使用寿命， 普通机械取 T=500010000h，数控机床及一般机电设备取 T=15000h；n 为丝杠每分钟 转速）； fW载荷系数，由表 3-11 查得。 fH硬度系数（58HRC 时，取 1.0；等于 55HRC 时，取 1.11；等于 52.5HRC 时， 取 1.35；等于 50HRC 时，取 1.56；等于 45HRC 时，取 2.40）； Fm滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 表 3-11 滚珠丝杠载荷系数 运转状态运转状态载荷系数载荷系数 fW 平稳或轻度冲击1.01.2 中等冲击1.21.5 较大冲击或振动1.52.5 载荷系数 fw=1.2，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0，代入式 3-4 得 31200 1.2 1.0 300 3825.57 am CN 4.估算丝杠变形量和最小螺纹底径 估算丝杠允许的最大轴向变形量可根据以下公式 (3-5)(1/31/ 4) m 定位精度 已知本设计要求直线度 0.2/1000，行程为 2000mm，所以定位精度为，根据以上40 m 公式计算：。=10 m 估算最小螺纹底径。取两端支承的支承形式 (3-6) 00 0 mm 10 100.039 zz m F LF L d E (1.11.2)+(1014)P2300 zh Lmm行程 摩擦力 F0=300N。 将数据代入式 3-6，得 d0m=10.24mm。 5. 确定滚珠丝杠的规格代号 选择内循环浮动式法兰，直通双螺母型垫片预紧形式。 由计算出的 Ph、Cam、d0m，查表选取相应规格的滚珠丝杠螺母副 DGC-GD3210-3, 其参数如图 3-10 和表 3-12 所示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 37 页 图 3-10 滚珠丝杠螺母副 表 3-12 滚珠丝杠螺母副 DGC-GD3210-3 参数 滚珠丝杠尺寸/mm 钢球 直径 /mm 额定载荷/N 公称 直径 公称 导程 外径 滚珠丝杠型号 d0Phd Dw 循环列 数圈 数动载 Ca 静载 C0a DGC-GD3210-33210315.953332598852565 螺母安装尺寸/mm D1DD4LEBM 1 d D6D5h 5390711405158M61599 此型号的滚珠丝杠 Ph=10，Ca=25988NCam=3825.57N，d2=26.047mmd2m=10.24mm 满足设计要求。 6. 确定滚珠丝杠的预紧力 (3-7) max 1 3 P FF 其中，Fmax=300N，则 FP=100N。 7.预拉伸力 滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于机床。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响 定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后， 热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行 预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程 （螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后 恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。 (3-8) 2 2 2 2 1.95 4 t IAEd FA TETd L 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 37 页 式中 预拉伸力(N); t F L安装间距(mm); d2滚珠丝杠螺纹底径(mm); E弹性模量为 2.1105N/mm2 温度变化值 23，这里取 2.5；T 将数据代入式 3-8，算得 Ft=4992N。 8. 确定滚珠丝杠支承用的轴承规格型号 （1）轴承所承受的最大轴向载荷 FBmax=Ft+Fmax=4992+300N=5292N （2）选择轴承类型 滚珠丝杠采